米国ミシガン大学の研究者は、ボウタイ型のナノ構造微粒子を作成しました。そのキラリティー、または利き手は、広範囲にわたって連続的に調整できます。 偏光に敏感な単純なコンポーネントから構成される複雑な粒子は、正確に制御できるさまざまなカール形状を形成します。 光子活性ナノアセンブリは、光検出および測距 (LiDAR) デバイス、医療、マシン ビジョンなど、多くのアプリケーションで使用される可能性があります。

数学的に言えば、キラリティーは幾何学的な特性であり、甘い包み紙が徐々にねじれるように描写できる連続した数学関数によって記述されます。 したがって、同様の形状と段階的に調整可能なキラリティを備えた安定した構造のファミリーは、理論的には可能であるはずです。 しかし、化学では、キラリティーはしばしば XNUMX つの特徴として扱われます。分子は鏡像異性体と呼ばれる XNUMX つのバージョンで提供されます。これらはお互いの鏡像であり、人間の手のペアによく似ています。 このキラリティーはしばしば「ロックイン」されており、それを変更しようとすると構造が壊れます。

連続キラリティー

が率いる研究者チーム ニコラス・コトフ 異方性ボウタイ形状のナノ構造が連続的なキラリティーを持っていることを示しました。これは、広い範囲で調整できるねじれ角、ピッチ幅、厚さ、および長さで製造できることを意味します。 実際、完全にねじれた左手構造から平らなパンケーキ、さらに完全にねじれた右構造まで、ねじれを制御できます。

蝶ネクタイは、カドミウムとシステイン (左利きと右利きの種類があるタンパク質フラグメント) を混合し、この混合物を水溶液に懸濁することによって作られます。 この反応によりナノシートが生成され、自己集合してリボンが形成され、リボンが自己積層してボウタイ型のナノ粒子が形成されます。 ナノリボンは、長さ 50 ～ 200 nm、厚さ約 1.2 nm のナノプレートレットから組み立てられます。

「重要なことに、粒子のサイズは、ナノシートと粒子全体との間の静電相互作用によって自己制限されます」と Kotov は説明します。

システインがすべて左利きの場合は左利きのボウタイが形成され、右利きの場合は右利きのボウタイが形成されます。 ただし、混合物に左利きシステインと右利きシステインの比率が異なる場合は、中間のねじれを持つ構造を作成できます。 最もタイトなボウタイ (つまり、全長にわたって 360° 回転するボウタイ) のピッチは約 4 µm です。

研究者は、光のねじれがボウタイ形状のねじれと一致した場合にのみ、ナノ構造が円偏光 (コルク抜き型で空間を伝播する) を反射することを発見しました。

5000つの異なる形状

チームは、ボウタイ スペクトル内で 5000 の異なる形状を生成することに成功し、アルゴンヌ国立研究所で X 線回折、電子回折、および電子顕微鏡を使用して原子の詳細を調べました。 走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像は、ボウタイが長さ 200 ～ 1200 nm、厚さ 45 nm のねじれたナノリボンのスタックとして構造化されていることを示しています。

連続体キラリティーの理由は、ナノスケールのビルディング ブロックの固有の特性によるものです。 第 XNUMX に、柔軟な水素結合によって結合角度を変えることができる、と Kotov らは説明しています。 第二に、ナノリボンのイオン化能力は、pH とイオン強度を変更することで広範囲に調整できるナノスケールのビルディング ブロック間の長距離反発相互作用につながります。 また、ナノリボンがねじれているため、全体の静電ポテンシャルがキラルになり、アセンブリの利き手性が強化されます。

「以前の研究で研究した「単純な」超粒子と比較して、キラルナノクラスターから作られた超粒子は、より複雑な構造を形成できます」と Kotov は語る。 物理学の世界. 「静電相互作用を制御することで、サイズと形状を変えることができます。 これらの複雑な粒子などの合成化学システムのキラリティ連続体を確立することで、それらの特性を設計することができます。」

ツイストライトは、ナノ粒子をリアルタイムでサイズ別に分離します

で彼らの仕事を報告する研究者 自然、彼らは現在、マシンビジョンでのボウタイ粒子のアプリケーションを調べるのに忙しいと言います。 「円偏光は自然界ではまれであり、ノイズをカットできるため、このような視覚にとって非常に魅力的です」と Kotov は説明します。 「設計されたボウタイ構造は、LiDAR や偏光カメラのマーカーとしても使用できます。」

ねじれたナノ粒子は、キラル医薬品を製造するための適切な条件を作り出すのにも役立つ可能性があります。 同じ分子のエナンチオマーがまったく異なる化学的および生物学的特性を持つ可能性があるため、キラリティは薬物の重要な特性です。 したがって、それらを区別することは、新しい医薬品を開発する人々にとって特に興味深いものです。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/twisted-bowties-created-with-continuous-chirality/